使用 APx 音频分析仪测量等效连续声级

在这篇文章中，我们将回答技术支持部门经常收到的一个问题：如何使用 APx500 音频分析仪测量等效连续声级 Leq,T和 A 计权等效连续声级 LAeq,T？

等效连续声级

在大多数环境中，环境声级随时间不断波动。等效连续声级 (Leq) 的定义是，在给定时间内，与波动声级具有相同总能量的恒定声压级。等效连续声级的 A 计权版本称为 LAeq，采用相同的计算方法，但在测量信号上应用了 A计权滤波器。LAeq通常用于量化环境中的噪声水平或工作场所中员工的噪声暴露情况。该指标始终隐含积分时间，并应明确标注。例如，若总测量时间段（或积分时间）为 T 小时或 T 秒，则记为 LAeq,T，其定义如 (1) 所示：

其中，T 是测量持续时间，pA(t)是瞬时 A 计权声压（单位 Pa），p0是参考声压（20 µPa）。

对于可能不常接触声级测量的音频测试工程师而言，“等效连续声级”（LAeq,T）这一术语或许显得陌生。但通过重新排列公式 (1)，如 (2) 所示，我们可以用更熟悉的术语来表达这一概念。

在这种形式下，您可能会发现分子项本质上就是声压的均方根值（单位 Pa），即时间 T 内的均方根声压级，记为 Prms(3)。音频分析仪最擅长的功能之一就是测量均方根电平。

将（3）代入（2），就得到了将以帕（Pa）为单位的均方根声压级转换为以 dBSPL 为单位的声压级的经典公式。

因此，时间段T的等效连续声级就是以 dBSPL 表示的声信号均方根电平。要获得 A 计权版本，我们只需在计算均方根电平之前对信号应用 A 计权滤波器即可。

在 APx 中测量LAeq,T

在 APx500 软件中，使用模拟测量传声器测量 Leq的第一步是将Measure选项设置为Acoustic。这将测量单位更改为 Pa 或 dBSPL，并可为每个输入通道分配以 V/Pa 为单位的传声器灵敏度。

图 1. Measure 选项

接下来，应使用传声器校准对话框（图 2）输入每个采集传声器的灵敏度，可以按照其校准表输入，也可以使用声级校准器进行校准。另外，如果传声器支持传感器电子数据表 (TEDS) ，且 APx 设备具有 TEDS 功能，则 APx 可以直接读取传声器灵敏度。

图 2. APx 中的传声器校准对话框。单击 “校准 ”按钮可获取所选通道的传声器灵敏度测量值。

要测量 A 计权声压级，必须应用 A 计权滤波器。在工作台模式下（Bench Mode），加权滤波器应用于信号路径设置的输入部分（图 3），并在时域中作为数字滤波器实现。使用 A 计权滤波器时，带宽可设置为最低的 22.4 kHz，高通和低通滤波器应分别设置为直流和 ADC 通带，这样它们就不会增加 A 计权滤波器的衰减。

图 3. 信号路径设置的输入滤波器部分配置为 A 计权。

在序列模式中（Sequence Mode），计权滤波器也可以应用于信号路径设置，在这种情况下，它们也是在时域中实现的。但序列模式（Sequence Mode）为计权滤波器提供了一个额外的选项，因为序列模式中（Sequence Mode）的许多测量，如Noise (RMS) 和 Noise Recorder（RMS）也有一个计权滤波器控制。序列模式（Sequence Mode）中单个测量的计权滤波器是通过 FFT 分析在频域中实现的。是在信号路径设置中应用 A 计权滤波器，还是在单项测量中应用 A 计权滤波器，取决于用户的偏好。但是，在信号通路设置和同一信号通路下的测量中都不能同时应用计权滤波器，这一点非常重要。这将对信号进行两次 A 计权，从而产生不正确的结果。

在 “信号通路设置 ”中应用 A 计权滤波器后，同一信号通路中各个测量的输入滤波器应设置为 “信号通路”，如图 4 所示。

图 4. 当信号路径设置滤波器的设置如图 3 所示时，Noise (RMS) 测量的滤波器设置。

APx 中的大多数测量功能专为正弦波这类激励信号的 RMS 电平测量而设计。因此，它们的积分时间非常短，因为通常我们希望尽快完成测量。一个例外是序列模式（Sequence Mode）中的 Noise (RMS) 测量。它的默认积分时间为 0.25 秒，但可以设置为 10.0 秒。该测量中的积分时间称为采集时间，因为该测量是基于整个采集信号仅做一次 FFT 处理所计算出的电平。采集时间控制可通过测量的 “Advanced Settings” 面板访问。该测量是一种持续更新的仪表显示类型，因此要测量波动信号，需要通过运行序列来完成该测量，并在报告中观察结果。

以波动信号为例，请看图 5 中的语音波形，其电平是在人工嘴 MRP（Mouth Reference Point）位置测量到的典型电平。中间有明显的空白，瞬时峰值约为 3 Pa（相当于 103 dBSPL 的峰值电平）。在 8 秒的总长度内测量该波形的 LAeq是多少？从序列栏中（Sequencer) 运行 Noise (RMS) 测量，将采集时间设置为 8.0 秒并应用 A 计权，噪声电平结果（即 LAeq,8s）返回值为 82.9 dBSPL。这意味着该信号的等效连续声级为 82.9 dBA。

图 5. 人工嘴在MRP测量到的语音波形。

从 APxRecorder测量中得到 Leq

在 APx 中测量 Leq的更好方法是利用序列模式（Sequence Mode）下的 Noise Recorder (RMS)和工作台模式（Bench Mode）下的Recorder 等测量方法。这些测量可记录输入信号的短期均方根电平与时间的关系，并像条形图记录仪一样显示出来。它们最长测试时间可设置为 7 天。Sequence Mode Recorder 测量的读数速率从每秒 20 到每秒 0.1，Bench Mode Recorder 的读数速率从每秒 250 到每秒 1.0。

测量完成后，均方根电平结果将显示整个测量时间内的均方根电平与时间的关系，各点之间的间隔（1/读取速率）以秒为单位。每个点代表短期均方根电平（即短期 Leq）。图 6 显示了图 5 中语音波形的均方根电平结果，分别使用 Noise Recorder 以每秒 20 次的读取速率和Bench Mode Recorder 以每秒 250 次的读取速率进行测量。

图 6. 均方根电平与时间的对比结果 - 上图：噪声记录仪，读数速度为 20 读数/秒；下图：工作台模式记录仪，读数速度为 250 读数/秒。

要从 RMS 信号电平与时间对比结果中获得总体均方根电平（总体 Leq），可以使用名为 RMS 的派生结果（Derived Result）。要创建它，请右键单击Add Derived Result - Min/Max Statistics - Single Value - RMS。这样就能根据 RMS 电平随时间变化结果中的短期均方根电平计算出整体均方根电平。对于上面的语音波形，Noise Recorder (RMS) 和 Bench Mode recorder的 RMS 推导结果的均方根电平（或 LAeq,8s）值均为 82.9 dBSPL。

需要注意的是，如果不使用 A 计权，且信号含有大量低频能量，则应使用 Bench Mode 中的 Recorder 以获得更高的精度。这是因为序列模式（Sequence Mode）中的均方根电平是通过 FFT 分析计算的，而在较高的读取速率下，FFT 长度太短，无法准确估计低频信号的电平。例如，在测量无计权滤波器的粉红噪声信号时，使用 Noise Recorder (RMS) 测得的总有效值电平比使用 Noise (RMS) 测得的值低约 1.6 dB。然而，当信号经过 A 计权或分析白噪声信号时，这两个测量值之间的差异为 0.03 dB 或更小。相比之下，使用粉红噪声和无计权滤波器的 Bench Mode Recorder 和 Noise (RMS) 之间的最坏情况差值为 0.14 dB。

这种从短期 Leq值计算较长时间 Leq值的技术在环境声学中得到广泛应用。